測試測量儀器之二十九用pico16位解析度示波器助力音頻放大器設計

摘要

本文是一篇測試實例，利用Pico Technology 的16位示波器ADC216（或新型號 PicoScope 4262）的頻譜分析儀功能及自動頻譜測量參數來協助音頻放大器的設計和測試。ADC216（PicoScope 4262）的16位ADC解析度、極低的本底噪聲（8.5uV RMS）、102dB的動態範圍、16位解析度的AWG、以及配置的自動化頻譜測量參數等優秀性能使其非常適合於音頻信號的測試，可與頻譜分析儀、音頻分析儀相媲美，而且具有極高的性價比。

pico4262型號16位高解析度示波器

一、功率放大器電路

下圖1顯示了一個基本的功率放大器電路。所示的輸出級是簡單且廣泛使用的射極跟隨器拓撲。以下測試顯示了如何監控輸出級信號的質量，然後對電路進行優化和改進。該輸出級拓撲的級增益剛好小於1，因此可以比較容易地移出反饋環路。

基本的功率放大器電路

二、測試調試過程

對於以下所有測試，我們使用的是老款的ADC216及BlackStar的高質量信號發生器，對於新的型號PicoScope 4262則無需額外的信號發生器，其內置的高質量信號發生器即可使用。下面的PicoScope界面上的波形頻譜曲線顯示了信號發生器的純1kHz音調（圖2），可以看到信號的底噪低於100dB，如此低的底噪是普通的8位示波器無法觀察到的，因為8位示波器的儀器底噪會遠高於100dB。

信號發生器的波形

將ADC-216（PicoScope 4262）連接到電路中的『A』點，信號發生器連接到電路的輸入端。下面的PicoScope屏幕截圖顯示了點『A』處的信號，如下圖3所示。很明顯，運算放大器當前的工作狀態是合理的，因為其符合應用了大量的負反饋後的預期結果。

圖3 A點的波形

如果我們現在查看點『B』處的輸出，我們可以看到在示波器軌跡上清晰可見的嚴重的交叉失真，如下圖4所示。諧波頻譜信息還表明三次諧波分量是諧波中最大的問題。連接到點『B』處的負載電阻為2k2。很明顯，輸出級遭受嚴重的交叉失真效應。

圖4 B點的波形

如果我們繼續監測『B』點，但是通過將運算放大器的反相輸入連接到點『B』，將輸出級移到反饋環路內，我們注意到輸出級失真大幅減少。實際上，如果您只關注傳統示波器上的示波器軌跡，您將看不到任何問題。這就是PicoScope頻譜分析的功能與ADC-216（或PicoScope 4262）的高靈敏度相結合的關鍵所在。然而，失真問題在頻譜視圖中仍然很明顯，如下圖5所示。

圖5 B點與放大器反相輸入連接後B點的輸

如果我們將PicoScope 4262（ADC-216）連接回點『A』但將輸出級保持在反饋環路中，我們可以看到運算放大器正不得不使用哪些校正以消除輸出級產生的誤差。運算放大器跟隨正弦信號波形的正負峰值，但在交叉點附近，它必須非常努力地掩蓋輸出級誤差。它必須快速通過輸出級沒有執行地點。很明顯，運算放大器需要具有比課本中最初所建議的更高的轉換速率，以便補償設計不良的輸出級。這使得早期增益級的設計比它們需要的更加困難和昂貴（圖6）。

圖6 B點與放大器反相輸入連接後A點的輸

接下來，通過使用簡單的二極體壓降技術在輸出器件的基極之間施加偏置電壓來改善輸出電路。下面的視圖再次顯示了『B』點的輸出。可以看出，增加少量偏置使THD讀數提高了近10 dB（圖7）。

圖7增加偏置電壓後B點的輸出波形

如果我們再次觀察增加偏置電壓後的點『A』，我們可以看到運算放大器不需要如此高的壓擺率，因為它不必很難的掩蓋輸出級的缺陷（圖8）。

圖8增加偏置電壓後A點的輸出波形

本技術說明介紹了一種簡單的應用，可以使用PicoScope中功能強大的FFT頻譜圖評估放大器輸出級設計的性能。根據一些經驗，可以從它們的特徵頻譜圖中識別出許多問題，否則這些問題可能會被忽視但導致聲音再現不良或有色。